Sådan måles gravitationsfeltet for et kvanteobjekt

I slutningen af ​​det 18. århundrede målte den britiske videnskabsmand Henry Cavendish tyngdekraften mellem to objekter for første gang i et laboratorium. De pågældende genstande var blykugler, den ene på størrelse med en vandmelon, den anden på størrelse med en baseball. Kraften mellem dem, opdagede han, var lille - omtrent vægten af ​​et sandkorn.

Siden da er eksperimenterne blevet mere nøjagtige, men involverer stadig generelt relativt store objekter - det mindste gravitationsfelt, der nogensinde er målt, var mellem to cylindre, der vejede 90 gram. Men felter mellem mindre masser er så små, at ingen har fundet på en måde at måle dem på.

Det ser ud til at ændre sig takket være Jonas Schmoles og venners arbejde ved Wiens Universitet i Østrig. De har fundet på en måde at måle tyngdekraftens tiltrækning af objekter i millimeterskala, der er tre størrelsesordener mindre massive end noget tidligere målt.

Et sådant eksperiment ville give videnskabsfolk mulighed for at sondere tyngdekraften på skalaer, der aldrig før har været mulige, og åbner døren til en ny æra af eksperimenter, der for første gang udforsker forholdet mellem tyngdekraft og kvantemekanik.

Den nye metode til at måle gravitationskræfter er i princippet enkel. I sit hjerte udnytter den den måde, små genstande giver genlyd, når de gentagne gange bliver skudt. En måde at gøre dette på er at skære små springbrætter ud af silicium, så den nødvendige elektronik til at overvåge dem kan indbygges i en enkelt chip. Disse såkaldte mikroelektromekaniske enheder er blevet almindelige i de senere år - de er teknologien bag airbags og accelerometre i for eksempel smartphones.

Nu vil Schmole og co bruge dem til at måle gravitationskræfter. Deres idé er at lave et springbræt og placere en kugle i milligramskala på enden af ​​den. Dette er testmassen, hvis bevægelse under tyngdekraften de håber at måle.

Samtidig placerer de en anden lignende kugle på enden af ​​en stang, der kan skraldes frem og tilbage som et stempel. Dette er kildemassen, der genererer et bevægende gravitationsfelt.

Når disse to kugler er placeret tæt på hinanden, skulle det resulterende gravitationsfelt skabe en tiltrækkende kraft mellem dem. Det skulle trække testmassen på springbrættet mod kildemassen. Når kildemassen bevæger sig væk, vil tiltrækningen falde, hvilket tillader testmassen at falde væk.

Det får springbrættet til at vibrere. Og hvis kildemassens bevægelse matcher en vis kritisk frekvens, vil springbrættet give genlyd, og denne bevægelse kan måles ved at kaste en laser af springbrættet.

Justering af den måde, hvorpå kildemassen bevæger sig frem og tilbage, vil give Schmole og co mulighed for at udforske den måde, resonansen opstår på, og at måle den kraft, der forårsager den - tyngdekraftens tiltrækning mellem de to legemer.

Og det er det – en enkel måde at måle tyngdekraften mellem to milligram-størrelser på, som er muligt i dag med avancerede MEM-enheder.

Selvfølgelig er der nogle vigtige finesser i eksperimentet. For eksempel skal testmassen og kildemassen isoleres, så bevægelsen af ​​den ene ikke påvirker den anden, undtagen ved gravitationel tiltrækning. Det er en væsentlig udfordring. En anden er at isolere hele enheden fra eksterne vibrationer, der kan oversvømme signalet af interesse.

Men Schmole og co siger, at disse er overskuelige, og at eksperimentet i høj grad kan lade sig gøre. Den nuværende avancerede teknologi skulle give mulighed for en proof-of-concept-demonstration for objekter i skalaen millimeter og titusinder af milligram, hvilket allerede forbedrer den nuværende grænse for sansning af gravitationsfeltet for en lille kildemasse med tre størrelsesordener, de siger.

Det er interessant arbejde og ikke kun på grund af de involverede eksperimentelle udfordringer. Objekter i millimeterskala er tæt på den skala, hvor kvantemekanikkens mærkelige love bliver observerbare. Disse fører til bizarre fænomener, såsom at et enkelt objekt er på to steder på samme tid.

Den spændende mulighed, som Schmole og co antyder, er evnen til at måle tyngdekraften forbundet med kvanteobjekter. Hvordan vil tyngdekraften manifestere sig, når den er forbundet med et objekt, der eksisterer to steder på samme tid?

Det er et spørgsmål, som mange fysikere ville give deres højre arm for at kende svaret på. De har måske ikke lang tid at vente!

Ref: arxiv.org/abs/1602.07539 : Et mikromekanisk bevis-of-princip-eksperiment til måling af tyngdekraften af ​​milligrammasser

skjule